Thế năng là gì và công thức tính thế năng trong vật lý chính xác?

Thế năng đàn hồi

Thế năng là một đại lượng trong vật lý, thể hiện khả năng sinh của vật và tồn tại dưới dạng năng lượng. Hiện nay, có 2 dạng thế năng đó chính là thế năng đàn hồi và trọng trường. Mỗi loại đều có những đặc điểm và công thức tính khác nhau.

Khi một vật có khả năng biến dạng do tác động nào đó, nó có khả năng sinh công. Đây được xem như một dạng năng lượng được gọi chung là thế năng đàn hồi. Để tính được thế năng đàn hồi trước hết, ta cần tính được công của lực đàn hồi.

Xét một lò xo có chiều dài ban đầu là I₀ với độ co cứng đàn hồi được kính bằng k. Khi kéo một đoạn cố định ΔI, lực đàn hồi sẽ xuất hiện trực tiếp từ lò xo và tác động vào vật. Công thức tính thế năng đàn hồi được biểu diễn như sau:

Xem Thêm: Định luật vạn vật hấp dẫn là gì? công thức lực hấp dẫn

Thế năng đàn hồi = 1/2 k ΔI²

Thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường là dạng thế năng tồn tại trong trường hợp vật nặng nằm trên một địa điểm cụ thể. Công thức tính thế năng trọng trường được biểu diễn như sau:

Thế năng trọng trường = mgh

thế năng là gì tìm hiểu công thức tính thế năng trong vật lý chính

Trong đó, m là khối lượng của vật, g là gia tốc trọng trường và h là độ cao vật so với địa điểm tham chiếu.

Tính lực đàn hồi và thế năng đàn hồi của lò xo

Công thức tính lực đàn hồi

Độ dài của lò xo: I = I0 + ΔI

Lực đàn hồi tác dụng vào vật theo định luật Húc sẽ là:

Nếu chọn chiều dương là chiều tăng của lò của chiều dài lò xo thì sẽ là

Công thức tính lực đàn hồi đưa vật trở về vị trí của lò xo không biến dạng là:

F = -kΔx

Công thức tính thế năng đàn hồi

Wđh = 0.5.k.x²

Trong đó:

Wđh: Là thế năng đàn hồi, đơn vị là J
k: Là độ cứng của lò xo (N.m)
x: Độ biến dạng của lò xo (m)

Ví dụ vận dụng

Ví dụ 1:

Một lò xo nằm ngang với độ cứng k = 250 N/m, tác dụng trực tiếp khiến lò xo bị dãn ra khoảng 2cm. Lúc này, thế năng đàn hồi của nó sẽ tính ?

Giải:

Wđh = 0.5.k.x² = 0.5.250.(0.02)² = 0.05 (j).

Ví dụ 2:

Thanh lò xo nằm ngang với chiều dài k là 250N/m, lò xo bị kéo dãn 2cm vậy lúc này thì công của lực đàn hồi là bao nhiêu?

Giải:

A = Wt2 – Wt1 = 0.5.250.(0.042 – 0.022) = 0.15 (j)

Lúc này công cần tìm sẽ bằng A’ = -A = -0.15 (J)

Ví dụ 3:

Nếu thế năng của vật tính được bằng 2kg, vật nằm dưới đáy giếng sâu khoảng 10m, g = 10m/s². Lúc này gốc thế năng tại mặt đất là bao nhiêu?

Giải:

A = Wt – Wt0 → Wt = m.g.z = 2.10.10 =

Trọng Trường

Khái niệm về trọng trường

Xung quanh Trái Đất luôn tồn tại một trọng trường. Biểu hiện của trọng trường là sự xuất hiện cả trọng lực tác dụng lên vật khối lượng m, được đặt tại vị trí bất kỳ trong khoảng không gian có trọng trường. Công thức của trọng lực trong một vật có khối lượng m là:

Xem Thêm: Định luật vạn vật hấp dẫn là gì? công thức lực hấp dẫn

F = G x (m1 x m2)/r^2

Khoảng không gian đều trọng trường

Trong một khoảng không gian không quá rộng nếu gia tốc trọng trường tại mọi điểm đều có phương song song, cùng chiều và cùng độ lớn thì ta nói khoảng không gian đó là trọng trường đều.

Thế năng trọng trường

Cơ năng của một vật sẽ phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất hoặc vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao được gọi là thế năng trọng trường và cũng có thể gọi là thế năng hấp dẫn. Ví dụ như viên đạn đang bay hay quả mít ở trên cây, …

Hiểu đơn giản, thế năng trọng trường là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; phụ thuộc vào vị trí của vật ở trong trọng trường.

Thế năng trọng trường và công thức tính toán

Thế năng trọng trường là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật trong trọng trường. Để tính toán thế năng trọng trường của vật, ta có công thức:

Wt= m.g.z

Trong đó:

Wt: Thế năng của vật tại vị trí z, đơn vị đo là Jun (J)
m: Khối lượng của vật (kg)
z: Độ cao của vật so với mặt đất

Đặc điểm nổi bật của thế năng trọng trường đó chính là đại lượng vô hướng, có thể rơi vào khoảng từ >0=0 hoặc <0. Sự biến thiên thế năng và công của trọng lực chính là khi một vật bắt đầu di chuyển từ vị trí A cho đến B. Công của trọng lực của vật sẽ được tính bằng hiệu điện thế năng của trọng lực tại 2 vị trí. Công thức: AAB = Wt (ở A) – Wt (ở B)

Xem Thêm: Định Luật ÔM Là Gì, Công thức định luật ôm

Bài tập vận dụng

Ví dụ 1: Một xe có khối lượng m = 2,8 kg chuyển động theo quỹ đạo cong như hình vẽ. Độ cao của các điểm A, B, C, D, E được tính đối với mặt đất và có các giá trị: hA = 6 m, hB = 3 m, hC = 4 m, hD = 1,5 m, hE = 7 m. Lấy g = 10 m/s2.